可編程電源在超載（過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)功率）時(shí)，若未及時(shí)保護(hù)，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、火災(zāi)甚至人員安全風(fēng)險(xiǎn)。以下從超載類(lèi)型、保護(hù)機(jī)制、硬件設(shè)計(jì)、軟件配置及典型應(yīng)用五個(gè)層面，系統(tǒng)闡述如何實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。

一、超載類(lèi)型及危害

二、核心保護(hù)機(jī)制

1. 硬件級(jí)保護(hù)（快速響應(yīng)）

• 過(guò)壓保護(hù)（OVP）
  • 原理：通過(guò)比較器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，觸發(fā)MOSFET關(guān)斷輸出。
  • 響應(yīng)時(shí)間：通常<1μs（如Keysight E36300系列OVP響應(yīng)時(shí)間<500ns）。
  • 配置方法：
    • 設(shè)置OVP閾值（如12V電源設(shè)為13V），通過(guò)電位器或數(shù)字接口調(diào)整。
• 過(guò)流保護(hù)（OCP）
  • 原理：采樣電阻檢測(cè)電流，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)比較器或ADC觸發(fā)保護(hù)。
  • 類(lèi)型：
    • 恒流限制（Foldback）：電流超過(guò)閾值后，電壓下降以限制功率（如LED驅(qū)動(dòng)）。
    • 恒功率限制：電壓和電流成反比調(diào)整，保持功率恒定（如電池充電）。
  • 配置方法：
    • 設(shè)置OCP閾值（如5A電源設(shè)為5.5A），部分電源支持自動(dòng)恢復(fù)或手動(dòng)恢復(fù)。
• 過(guò)功率保護(hù)（OPP）
  • 原理：通過(guò)乘法器計(jì)算電壓×電流，當(dāng)超過(guò)額定功率時(shí)觸發(fā)保護(hù)。
  • 應(yīng)用場(chǎng)景：
    • 寬范圍輸出電源（如0~60V/0~5A），需同時(shí)限制電壓和電流組合。
• 短路保護(hù)
  • 原理：檢測(cè)輸出端電阻<1Ω時(shí)，立即關(guān)斷輸出（如通過(guò)差分放大器監(jiān)測(cè)壓降）。
  • 特性：
    • 需支持快速關(guān)斷（<10μs）和自恢復(fù)（如Keysight電源支持短路后自動(dòng)重啟）。

2. 軟件級(jí)保護(hù)（靈活配置）

• 保護(hù)閾值設(shè)置
  • 通過(guò)SCPI命令或GUI界面配置OVP/OCP/OPP閾值。
  • 示例：
    • VOLT:PROT 13.0（設(shè)置過(guò)壓保護(hù)13V）
    • CURR:PROT 5.5（設(shè)置過(guò)流保護(hù)5.5A）
• 保護(hù)模式選擇
  • Latch模式：觸發(fā)保護(hù)后需手動(dòng)復(fù)位（如關(guān)閉電源再開(kāi)啟）。
  • Auto-Recovery模式：觸發(fā)后自動(dòng)嘗試恢復(fù)（如每100ms檢測(cè)一次）。
  • 配置命令：
    • PROT:STAT LATCH（Latch模式）
    • PROT:STAT AUTO（Auto-Recovery模式）
• 保護(hù)日志與報(bào)警
  • 記錄保護(hù)觸發(fā)時(shí)間、類(lèi)型（OVP/OCP等），并通過(guò)蜂鳴器或LED報(bào)警。
  • 示例：
    • 電源日志顯示“2023-10-01 14:30:00 OVP Triggered, Output Voltage=13.5V”。

三、保護(hù)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 采樣與比較電路

• 電流采樣：
  • 使用低阻值采樣電阻（如0.01Ω）和差分放大器（如INA219），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
  • 示例：
    • 5A電流通過(guò)0.01Ω電阻產(chǎn)生50mV壓降，放大10倍后為0.5V，送入ADC或比較器。
• 電壓采樣：
  • 通過(guò)電阻分壓器將高壓信號(hào)（如60V）降至ADC可測(cè)量范圍（如0~5V）。

2. 快速關(guān)斷機(jī)制

• MOSFET驅(qū)動(dòng)：
  • 使用高速驅(qū)動(dòng)芯片（如TC4427）控制MOSFET關(guān)斷，響應(yīng)時(shí)間<100ns。
• 硬件互鎖：
  • OVP和OCP信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)（如AND門(mén)）互鎖，確保同時(shí)觸發(fā)時(shí)優(yōu)先保護(hù)。

3. 抗干擾設(shè)計(jì)

• 濾波電容：
  • 在采樣信號(hào)線(xiàn)上增加RC濾波（如100Ω+10nF），降低高頻噪聲干擾。
• 遲滯比較器：
  • 使用遲滯比較器（如LM393）避免保護(hù)閾值附近振蕩。

四、典型應(yīng)用場(chǎng)景與配置

1. 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備

• 需求：
  • 保護(hù)精密儀器（如示波器、頻譜分析儀）免受意外過(guò)壓損壞。
• 配置：
  • OVP設(shè)為額定電壓的110%（如12V電源設(shè)為13.2V），Latch模式。
  • OCP設(shè)為額定電流的120%（如2A電源設(shè)為2.4A），Auto-Recovery模式。

2. 工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)

• 需求：
  • 保護(hù)電機(jī)、PLC等負(fù)載免受短路或過(guò)載影響，確保生產(chǎn)連續(xù)性。
• 配置：
  • OVP設(shè)為額定電壓的105%（如24V電源設(shè)為25.2V），Auto-Recovery模式。
  • OCP設(shè)為額定電流的150%（如10A電源設(shè)為15A），Latch模式+報(bào)警輸出。

3. 電池充電系統(tǒng)

• 需求：
  • 防止過(guò)充（過(guò)壓）和過(guò)流（如快充階段），延長(zhǎng)電池壽命。
• 配置：
  • OVP設(shè)為電池最大電壓（如4.2V），恒壓模式+Foldback限流。
  • OCP設(shè)為充電電流上限（如2A），恒流模式+OPP保護(hù)。

五、保護(hù)機(jī)制對(duì)比與選型建議

選型建議：

1. 高精度需求：選擇硬件OVP響應(yīng)時(shí)間<500ns的電源（如Keysight E36300）。
2. 寬范圍輸出：選擇支持OPP保護(hù)的電源（如Chroma 6310A）。
3. 自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)：選擇支持SCPI命令和Latch模式的電源（如Keithley 2280S）。

六、總結(jié)與直接建議

1. 核心保護(hù)邏輯：
   • 硬件優(yōu)先：OVP/OCP/短路保護(hù)通過(guò)硬件快速響應(yīng)（<10μs），避免軟件延遲。
   • 軟件補(bǔ)充：通過(guò)SCPI命令配置保護(hù)閾值、模式和日志記錄。
2. 直接建議：
   • 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備：OVP設(shè)為額定電壓110%，Latch模式+報(bào)警。
   • 工業(yè)負(fù)載：OCP設(shè)為額定電流150%，Auto-Recovery模式。
   • 電池充電：恒壓+恒流雙模式，OPP保護(hù)防止過(guò)熱。
3. 典型應(yīng)用示例：
   • 示波器供電：12V電源，OVP=13.2V（Latch），OCP=2.4A（Auto）。
   • 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：24V電源，OVP=25.2V（Auto），OCP=15A（Latch+報(bào)警）。

通過(guò)合理配置硬件和軟件保護(hù)機(jī)制，可編程電源可在超載時(shí)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)響應(yīng)、精準(zhǔn)保護(hù)、可追溯記錄，確保設(shè)備和人員安全。